KR20120000759A - 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치에 관한 것으로서, 상세하게는 마이크로웨이브에 반응하여 발열되는 발열체를 구비하므로 종래와는 다른 에너지원을 통해 가스를 가열하므로 유독성 가스를 인체 및 환경에 영향을 주지않도록 유해 성분을 제거하는 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치의 제1실시예는, 도파관을 통해 연결되는 챔버의 내측으로 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론; 챔버의 내측온도를 측정하는 온도센서와 상기 온도센서를 통해 감지된 챔버의 온도감지신호를 수신하여 상기 마그네트론을 제어하여 마이크로웨이브의 조사량을 제어하는 제어부; 및 상기 챔버의 내측에서 발생된 열이 외부로 전도되는 것을 차단하는 단열재와, 상기 단열재를 투과하여 조사되는 마이크로웨이브에 의해 가열되는 제1발열체와, 상기 제1발열체에서 전도되는 열에 의해 가열되어 가스가 충진되는 가스분해관에 열을 전도하는 제2발열체를 포함한다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치{Gas analysis apparatus using microwave}
본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치에 관한 것으로서, 상세하게는 마이크로웨이브에 반응하여 발열되는 발열체를 구비하므로 종래와는 다른 에너지원을 통해 가스를 가열하므로 유독성 가스를 인체 및 환경에 영향을 주지않도록 유해 성분을 제거하는 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치에 관한 것이다.
종래 가스분해 방법은 에너지사용에 따라 차이를 보이는데 전기, 가스, 프라즈마등의 에너지를 사용하여 고온으로 가스를 분해하는 방법으로 이루어져 왔으며, 근래에는 전 세계적으로 새로운 방법을 개발하고 있는 추세에 있다.
따라서 종래에는 전기, 가스, 플라즈마등의 에너지를 사용하여 가스를 분해 하는 형태를 취하고 있는데 1차로 사용하고 남은 가스를 2차로 분해하고 3차로 다시 분해하여 방출하였으나, 이는 가스를 완전 분해하는 온도 및 분해되는 온도를 유지하는 에너지 원이 개발되지 않음으로 가스를 3차까지 분해하는 번거로운 공정을 사용하는 것이다. 또한 산업용으로 사용하는 가스는 대개 유독성 물질을 포함하고 있기 때문에 가스가 완전히 분해되지 않은 상태에서 대기 중으로 방출되면 심각한 대기오염을 유발시킨다.
따라서 종래에는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 고온에서 가스를 분해하여 대기중에 배출되는 위해가스를 최소화하는 방법이 연구되고 있으며, 종래의 대표적인 가스분해장치로는 전기, 가스, 플라즈마를 이용한 가스분해장치가 있으며 이중 하기의 도 1의 플라즈마장치를 통해 종래의 가스분해장치를 간략히 설명한다. 아울러 종래의 가스분해장치는 반도체공정의 가스분해장치를 이용하여 일예를 설명하는 것이나 후술되는 본 발명의 주요 기술적 사상은 산업용 가스를 사용하는 전체 산업분야에 모두 적용될 수 있는 가스분해장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 반도체공정에서의 가스분해장치를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 가스분해장치는 입력되는 가스를 고온 가열하여 분해하는 플라즈마가열부(10)와, 상기 플라즈마가열부(10)에서 1차분해된 가스를 순환시키는 순환부(20)와, 1차 분해된 가스중에서 수용성 가스성분을 분해시켜 배출시키는 수용성반응부(40)와, 상기 수용성반응부(40)에 물을 공급하는 물탱크(30)를 포함한다.
상기 플라즈마가열부(10)는 가스가 유입관(11)을 통해 가스가 유입되면 플라즈마 아크를 구동시켜 고온으로 발열하여 유입된 가스를 1차 분해하고 분해된 성분을 배출구(12)를 통해 배출한다. 이때 가스에 포함되는 각각의 성분중에서 1800℃ 이상의 고온을 통해 분해되는 가스성분 외에 나머지 가스는 상기 수용성반응부(40)로 안내되거나 또는 무거운 입자를 갖는 가스는 상기 물탱크(30)로 가라앉게 되어 용해되어 외부로 배출된다.
상기 수용성반응부(40)는 제1노즐(41)과 제2노즐(42)을 이용하여 가스와 물이 성분을 접촉시키므로 가스에 포함된 수용성 성분을 분해시키게 되며, 나머지 분해된 가스를 배출부(43)를 통해 대기중에 배출된다. 여기서 상기 제1노즐(41)과 제2노즐(42)은 펌프(44)에 의해 상기 물탱크(30)로부터 공급되는 물을 분사한다.
그러나 이와 같은 플라즈마를 이용한 가스분해장치 및 기타 가스분해장치의 경우에는 1800℃를 유지하여 가스를 분해할 수 있지만 대기에 배출되는 가스의 유해성분을 완벽히 제거하기 위해서는 1800℃ 이상의 고온에서 가열시키는 것이 좋으나 가스를 완전 분해할 수 있는 2000℃ 이상의 초고온에 도달하기가 어렵다. 따라서 종래에는 고온에 의해 가스를 분해하는 가스분해장치에서 분해되는 유해가스의 농도가 낮기 때문에 대기중에 배출가스의 유해 정도가 매우 높은 문제점이 있다.
아울러 상기와 같은 종래의 가스분해장치는 반도체공정에서 적용되는 가스분해장치를 일예로 설명하였으나 반도체공정 뿐만 아니라 화학, 조선, 철강업등에서 사용되는 가스분해장치는 위에서 설명한 바와 같은 문제점을 갖는다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출 된 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로 웨이브에 반응하는 발열소재를 사용하여 금속 및 세라믹 계열의 파이프를 가열하고, 열을 급속히 고루 전달하기 위한 1차 발열체, 초 고온으로 승온 발열하기 위한 2차발열체 및 발열된 열이 챔버외측으로 전도되는 것을 차단하기 위한 세라믹소재의 단열재를 구성하여 산업용 가스를 분해할 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 가스의 종류에 따라서 가스분해온도를 설정하고, 챔버내의 온도를 감지하여 설정된 온도를 유지할 수 있도록 하는 마이크로웨이브르르 이용한 가스분해장치를 제공함에 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함한다.
본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치의 제1실시예는, 도파관을 통해 연결되는 챔버의 내측으로 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론; 챔버의 내측온도를 측정하는 온도센서와 상기 온도센서를 통해 감지된 챔버의 온도감지신호를 수신하여 상기 마그네트론을 제어하여 마이크로웨이브의 조사량을 제어하는 제어부; 및 상기 챔버의 내측에서 발생된 열이 외부로 전도되는 것을 차단하는 단열재와, 상기 단열재를 투과하여 조사되는 마이크로웨이브에 의해 가열되는 제1발열체와, 상기 제1발열체에서 전도되는 열에 의해 가열되어 가스가 충진되는 가스분해관에 열을 전도하는 제2발열체를 포함한다.
본 발명의 제2실시예는, 제1실시예에 있어서, 상기 제1발열체는 탄화규소 및 탄소 유, 무기바인더의 혼합물로 제작된다.
본 발명의 제3실시예는, 제1실시예에 있어서, 상기 제2발열체는 RSic, NSic 및 무기바인더의 혼합물로 제작되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4실시예는, 제1실시예에 있어서, 상기 단열재는 도자기성분의 세라믹소재로 제작되는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명은 마이크로 웨이브에 반응하는 발열소재와 열을 고루 전달하는 발열체를 구비하여 산업현장에서 사용되는 산업용 가스를 고온에서 분해할 수 있으므로 환경과 인체에 유해한 성분을 제거한 뒤에 대기중으로 배출할 수 있어 환경오염을 방지할 수 있는 효과와 함께 마이크로웨이브를 에너지원으로 적용함에 따라 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 가스의 종류에 따라서 분해온도를 설정하고, 가스분해 챔버내의 온도를 감지하여 가스분해 챔버내의 온도를 조절하므로 분해하고자 하는 가스의 성분에 따라 자유자재로 온도를 제어할 수 있다.
도 1은 종래의 가스분해장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치를 상세히 도시한 측단면도,
도 3은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치를 상세히 도시한 도 2의 평면도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치(100)를 상세히 도시한 측단면도, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치(100)를 상세히 도시한 도 2의 평면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치(100)는 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론(130)과, 가스가 유입되는 가스유입관(110)와, 유입된 가스가 분해되는 가스분해관(140)과, 마이크로웨이브에 의해 가열되는 제1발열체(150)와 상기 제1발열체(150)에 의해 전도되는 열에 의해 가열되어 상기 가스분해관(140)에 열을 전도하는 제2발열체(160)와, 상기 제1 및 제2발열체(150, 160)에서 발생된 열이 외부로 전도되지 않도록 단열하는 단열재(170)와, 상기 챔버의 온도를 감지하는 온도센서(101)와, 상기 온도센서의 감지신호에 따라서 상기 마그네트론을 제어하는 제어부(102)를 포함한다.
여기서 상기 제1발열체(150)와 제2발열체(160) 및 단열재(170)와 가스분해관(140)은 챔버(180)의 내측에 수용되며, 상기 온도센서는 상기 챔버의 내측에서 온도를 감지하여 상기 제어부에 감지신호를 인가하고, 상기 제어부는 상기 온도감지신호를 수신하여 상기 마그네트론의 마이크로웨이브의 제어하여 챔버내의 온도를 조절한다. 상기 마그네트론(130)은 도파관(131)을 통해 상기 챔버(180)의 내측으로 마이크로웨이브를 조사한다.
본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치(100)는 가스유입관(110)과 잔류가스가 배출되는 배출관(120)가 각각 연결되는 가스분해관(140)이 내측에 수용되는 챔버(180)내에서 설치된다. 상기 제2발열체(160)는 상기 가스분해관(140)과 직접 접촉될 수 있도록 상기 가스분해관(140)의 외면에 설치되고, 상기 제1발열체(150)는 상기 제2발열체(160)의 외측에서 상기 단열재(170)와 상기 제2발열체(160) 사이에 설치된다. 상기 단열재(170)는 상기 제1발열체(150)의 외측을 둘러쌓은 형태로 설치되며, 바람직하게로는 마이크로웨이브가 투과되는 소재로서 제작됨이 바람직하다.
상기 제2발열체(160)는 상기 가스분해관(140)의 외면에 접촉되도록 설치되며, 상기 제1발열체(150)에 의해 전도되는 열을 상기 가스분해관(140)에 전도한다. 이를 위해 상기 제2발열체(160)는 RSic 및 NSic, 무기바인더의 혼합물로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 제1발열체(150)는 상기 제2발열체(160)의 외면에 접촉되므로 상기 단열재(170)를 투과하여 조사되는 마이크로웨이브에 반응하여 발열된 열을 상기 제1발열체(150)에 전도한다. 이를 위해 상기 제1발열체(150)는 마이크로웨이브에 반응하여 2200도 이상의 고온으로 유지될 수 있도록 반응 및 열전도율이 높은 탄화규소 및 탄소 유, 무기바인더의 혼합물로서 제작됨이 바람직하다.
상기 단열재(170)는 상기 제1발열체(150)의 외면에 접촉되어 상기 제1 및 제2발열체(150, 160)에서 발열 된 열을 차단하고, 상기 제1발열체(150)에 마이크로웨이브를 전달하기 위하여 마이크로웨이브가 투과가능한 도자기 성분의 세라믹 계열 소재로 제작되는 것이 바람직하다.
여기서 상기 단열재(170)는 도자기 성분의 세라믹계열 소재로 제작됨에 따라서 상기의 제1발열체(150)와 제2발열체(160)의 순차적인 발열 및 축열에 의해 챔버(180)내의 온도가 2000℃ 이상의 초고온으로 상승될 경우에도 녹지 않고 단열기능을 수행할 수 있다.
상기 제어부(102)는 상기 온도센서(101)의 감지신호를 수신하여 상기 마그네트론(130)을 제어하여 챔버내의 온도를 조절한다. 예를 들면, CF4는 1500℃ 일때, 99.99%가 분해되고, SiH4는 1000℃, NF3는 1100℃일때 99.9%가 분해된다. 따라서 상기 제어부(102)는 유입되는 가스의 종류에 따라서 챔버(180)내의 온도를 제어하게 된다. 즉, 상기 제어부(102)는 유입되는 가스가 CF4이고, 상기 온도감지센서(101)의 감지결과 1500도 이상이면 상기 마그네트론(130)을 제어하여 마이크로웨이브의 조사량을 증가시킨다.
본 발명은 상기와 같은 구성을 포함하고 있으며, 하기에서는 상기와 같은 구성에 의한 작용설명을 상세히 개시한다.
먼저 상기 마그네트론(130)은 상기 가스유입관(110)을 통해 가스가 상기 가스분해관(140)으로 유입되면 온 된다. 일반적으로 고온에 의한 가스분해시에는 액화질소 또는 수소 및 산소등 공정에 따라 분해대상이 되는 가스가 일정비율로 혼합되어 상기 챔버에 유입된다. 이는 일반적으로 공지된 사항이기 때문에 그 상세한 설명은 생략한다.
여기서 바람직하게로는 상기 가스분해관(140)에 가스감지센서(도시되지 않음)를 더 구비하여 상기 가스감지센서의 감지신호를 수신한 상기 제어부(102)에 의해 마그네트론(130)이 자동제어되는 것이다.
이후에 상기 마그네트론(130)은 상기 제어부(102)의 제어에 의해 상기 챔버(180)에 연결되는 도파관(131)을 통해 마이크로웨이브를 상기 챔버(180) 내측으로 조사한다. 따라서 상기 제1발열체(150)는 상기 단열재(170)를 투과한 마이크로웨이브에 반응하여 2000℃ 이상으로 가열된다. 아울러 상기 제1발열체(150)는 마이크로웨이브에 의해 가열되어 2200℃ 이상의 온도로 가열되면서 상기 제2발열체(160)에 열을 전도한다. 따라서 상기 제2발열체(160)는 상기 제1발열체(150)에 의해 전도되는 열 및 자체로 마이크로 웨이브에 반응하여 1350℃까지 발열하면서 상기 가스분해관(140)에 고온을 전달한다.
아울러 상기 온도감지센서(101)는 상기 챔버(180)내의 온도를 감지하여 상기 제어부(102)에 인가한다. 따라서 상기 제어부(102)는 상기 온도감지센서의 감지신호를 확인하여 설정된 온도이상 또는 이하일 경우에는 상기 마그네트론(130)을 제어하여 상기 챔버(130)의 온도를 조절한다.
이와 같이 본 발명은 상기 제1발열체(150)에서 제2발열체(160)로, 제2발열체(160)에서 상기 가스분해관(140)에 열을 전달하므로 상기 제1발열체(150)의 2000℃ 이상의 열과, 상기 제2발열체(160)의 1800℃ 이상의 축열되어 전도됨에 따라서 온도상승 시간이 짧아지고, 2000℃ 이상의 초고온으로 장시간 유지될 수 있어 가스분해관(140)에 유입된 가스를 완벽하게 분해할 수 있다.
여기서 상기 제2발열체(160)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 가스분해관(140)의 외면전체를 둘러쌓는 것도 상기 가스분해관(140)을 가열함도 가능하고, 응용예로서 외면전체가 아닌 부분적으로 밀착되어 열을 전도하는 것도 가능하다.
아울러 상기 단열재(170)는 도자기 성분의 세라믹소재를 사용함에 따라서 2000℃ 이상의 초고온에서도 녹지 않고 단열기능을 수행할 수 있으며 상기 챔버(180)의 외부로 열의 전도되는 것을 방지한다.
이와 같이 본 발명에 따른 가스분해장치(100)는 산업용 가스의 종류에 따라서 상기와 같은 마그네트론(130)을 구비한 가스분해장치(100)만을 구비함도 가능하거나 수용성가스가 포함된 가스의 분해를 위해서는 상술되는 물탱크와 노즐을 이용한 수용성 가스분해장치(100)등이 추가로 설치됨도 본 발명의 기술적사상의 범위에 해당되는 다양한 응용예 중 하나에 해당된다.
100 : 가스분해장치 110 : 가스유입관
120 : 배출관 130 : 마그네트론
131 : 도파관 140 : 가스분해관
150 : 제1발열체 160 : 제2발열체
170 : 단열재 180 : 챔버

Claims (4)

  1. 도파관을 통해 연결되는 챔버의 내측으로 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론;
    챔버의 내측온도를 측정하는 온도센서와 상기 온도센서를 통해 감지된 챔버의 온도감지신호를 수신하여 상기 마그네트론을 제어하여 마이크로웨이브의 조사량을 제어하는 제어부; 및
    상기 챔버의 내측에서 발생된 열이 외부로 전도되는 것을 차단하는 단열재와, 상기 단열재를 투과하여 조사되는 마이크로웨이브에 의해 가열되는 제1발열체와, 상기 제1발열체에서 전도되는 열에 의해 가열되어 가스가 충진되는 가스분해관에 열을 전도하는 제2발열체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 가스분해장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1발열체는
    탄화규소 및 탄소 유, 무기바인더의 혼합물로 제작되는 것을 특징으로 하는 가스분해장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2발열체는
    RSic, NSic 및 무기바인더의 혼합물로 제작되는 것을 특징으로 하는 가스분해장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단열재는
    도자기성분의 세라믹소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 가스분해장치.


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